Nghiên Cứu Đặc Trưng Vật Liệu Nhiệt Phát Quang K2GdF5:Tb

Luận văn thạc sĩ vật lí nghiên cứu đặc trưng định liều bức xạ photon đối với vật liệu K2GDF5 TB, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Đoàn Thá Ngãc Nå
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Hùng
• Trường học: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Nghiên Cứu Đặc Trưng Vật Liệu Nhiệt Phát Quang K2GdF5:Tb
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. LÝ THUYẾT NHIỆT PHÁT QUANG
• 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.3. MẶT SẠ ĐẶC TRƯNG ĐÁNH LIỀU CỦA VẬT LIỆU
• 1.4. MẶT SẠ ĐỔI LƯỚNG VÀ ĐIỆN VÀ DÙNG TRONG ĐÁNH LIỀU
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. VẬT LIỆU VÀ TRANG THIẾT BỊ
• 2.1.1. Hà chiếu chuẩn tia X
• 2.1.2. Hà chiếu chuẩn gamma Cs-137
• 2.1.3. Hà chiếu chuẩn gamma Co-60
• 2.1.4. Hà đặc tín hiệu nhiệt phát quang Rexon UL-320
• 2.2. CHIẾU XẠ VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU
• 2.2.1. Bố trí thí nghiệm chiếu xạ mẫu vật liệu
• 2.2.2. Chiếu mẫu bằng hà chiếu chuẩn tia-X
• 2.2.3. Chiếu mẫu bằng hà chiếu chuẩn Cs-137
• 2.2.4. Chiếu mẫu bằng hà chiếu chuẩn Co-60
• 2.2.5. Khảo sát đáp ứng TL trên máy đặc liệu Rexon UL-320
• 2.2.6. Bố trí thí nghiệm
• 2.2.7. Đo cường độ tín hiệu TL
• 2.2.8. Khảo sát đáp ứng các dạng cong TL trên máy đặc liệu
• 2.2.9. Khảo sát các đặc trưng của vật liệu
• 2.2.10. Ngừng liệu các tiểu
• 2.2.11. Đáp liệu tuyến tính
• 2.2.12. Sự phụ thuộc của liệu bức xạ vào năng lượng photon
• 2.2.13. Đá tự chiếu xạ theo thời gian khi lưu trữ vật liệu
• 2.2.14. Sự giảm tín hiệu TL theo thời gian (fading)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. NGỪNG LIỆU CÁC TIỂU
• 3.2. DÀI ĐÁP ỨNG LIỆU TUYẾN TÍNH
• 3.3. SỰ PHỤ THUỘC CỦA LIỆU BỨC XẠ VÀO NĂNG LƯỢNG PHOTON
• 3.4. ĐÁ TỰ CHIẾU XẠ THEO THỜI GIAN KHI LƯU TRỮ VẬT LIỆU
• 3.5. SỰ GIẢM TÍN HIỆU TL THEO THỜI GIAN (FADING)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• PHỤ LỤC 1
• PHỤ LỤC 2
• PHỤ LỤC 3
• PHỤ LỤC 4

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu Nhiệt Phát Quang K2GdF5 Tb Mới

Vật liệu nhiệt phát quang đóng vai trò quan trọng trong đo lường bức xạ. Trong số đó, K2GdF5:Tb nổi lên như một vật liệu đầy hứa hẹn. Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về K2GdF5:Tb, từ cơ chế phát quang đến tiềm năng ứng dụng. Đo liều bức xạ dựa trên tương tác của bức xạ với vật liệu, ví dụ như cơ chế ion hóa, phát quang (TL (Thermoluminescence), OSL) và các phản ứng hóa học. Các dụng cụ thụ động, bao gồm vật liệu, vỏ, và tấm lọc, được chế tạo để đo liều bức xạ. Liều kế nhiệt phát quang (TLD), sử dụng vật liệu TL, phổ biến trong đo liều bức xạ cá nhân. TLD có nhiều ưu điểm như độ nhạy cao, ngưỡng liều thấp, dải liều tuyến tính rộng và suy giảm tín hiệu thấp. Theo tài liệu gốc, TLD được sử dụng để đánh giá liều bức xạ cá nhân, môi trường, xác định niên đại cổ vật, đánh giá liều chẩn đoán, và xạ trị.

1.1. Định Nghĩa và Cơ Chế Phát Quang của K2GdF5 Tb

Vật liệu nhiệt phát quang K2GdF5:Tb thể hiện hiện tượng phát xạ ánh sáng sau khi được chiếu xạ và nung nóng. Hiện tượng này xảy ra khi vật liệu chứa các mức năng lượng trong vùng cấm. Chiếu xạ ion hóa làm electron bị bẫy và lỗ trống bị bẫy tại tâm phát quang. Nung nóng giải phóng electron khỏi bẫy, electron tái hợp với lỗ trống, phát ra photon. Khi thực hiện nâng nhiệt lại lần nữa, electron thoát ra khỏi bẫy nhưng sẽ không phát quang. Quá trình bao gồm hình thành khuyết tật mạng tinh thể đóng vai trò là bẫy và tâm tái hợp. Sự tích lũy điện tích do chiếu xạ và tái hợp điện tử - lỗ trống cũng ảnh hưởng đến cường độ bức xạ TL.

1.2. Ưu Điểm Nổi Bật của Vật Liệu Nhiệt Phát Quang K2GdF5 Tb

K2GdF5:Tb sở hữu nhiều ưu điểm quan trọng cho ứng dụng đo liều bức xạ. Nó có độ nhạy cao với bức xạ ion hóa, sự phụ thuộc của hiệu suất phát quang vào suất liều bức xạ thấp, dải liều tuyến tính rộng, và sự suy giảm tín hiệu TL theo thời gian thấp. Độ bền nhiệt và hóa học của K2GdF5:Tb cũng rất cao. Thêm vào đó, vật liệu có thể được tái sử dụng nhiều lần, kích thước nhỏ gọn, và giá thành chế tạo thấp. Các loại TLD sử dụng vật liệu TL như LiF:Mg,Ti; CaF2:Dy; CaSO4:Dy cũng được sử dụng nhiều. Hầu hết các liều kế này được dùng để đánh giá liều bức xạ photon (tia-X, gamma).

II. Thách Thức và Vấn Đề Nghiên Cứu K2GdF5 Tb Hiện Tại

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc nghiên cứu và ứng dụng K2GdF5:Tb vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Cần phải hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của nồng độ Tb đến đặc tính phát quang, cũng như tối ưu hóa phương pháp chế tạo để đạt được hiệu suất cao nhất. Hiện tại, các nghiên cứu về đánh giá đặc tính của vật liệu K2GdF5 pha tạp Tb còn hạn chế, đặc biệt là các nghiên cứu chi tiết về các đặc trưng định liều. Theo tài liệu, một số cơ sở nghiên cứu ở Việt Nam đã bắt đầu quan tâm đến vật liệu TL để ứng dụng trong đo liều bức xạ, như LiF:Mg,Cu,Na,Si; Li2B4O7:Cu; Sr3B2O6:Eu2+; K2YF5:Tb3+. Tuy nhiên, đây mới chỉ là những nghiên cứu ban đầu và chưa có sản phẩm thương mại.

2.1. Ảnh Hưởng của Nồng Độ Tb đến Đặc Tính TL

Nồng độ Tb trong K2GdF5:Tb có ảnh hưởng lớn đến cường độ và hình dạng phổ phát xạ nhiệt phát quang. Việc tối ưu hóa nồng độ Tb là rất quan trọng để đạt được độ nhạy cao nhất cho ứng dụng đo liều bức xạ. Nghiên cứu cần tập trung vào tìm hiểu cơ chế pha tạp và ảnh hưởng của nó đến cấu trúc tinh thể cũng như quá trình phát quang.

2.2. Tối Ưu Hóa Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu K2GdF5 Tb

Phương pháp chế tạo có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và hiệu suất của vật liệu K2GdF5:Tb. Các phương pháp như phản ứng pha rắn và thủy nhiệt có những ưu và nhược điểm riêng. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của từng phương pháp để đạt được vật liệu có kích thước hạt đồng đều, cấu trúc tinh thể hoàn hảo, và hiệu suất phát quang cao.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Đặc Trưng Nhiệt Phát Quang K2GdF5 Tb

Nghiên cứu đặc trưng nhiệt phát quang của K2GdF5:Tb bao gồm nhiều phương pháp, từ chuẩn bị mẫu, chiếu xạ, đến đo đạc và phân tích dữ liệu. Các phương pháp chính bao gồm chiếu xạ mẫu bằng các nguồn bức xạ khác nhau (tia X, gamma), đo phổ phát xạ nhiệt phát quang, phân tích đường cong phát quang (Glow curve analysis), và đánh giá các đặc trưng như độ nhạy, dải liều tuyến tính, và độ bền nhiệt. Theo tài liệu, việc nghiên cứu được thực hiện tại Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân (Đà Lạt). Các số liệu thực nghiệm được thực hiện tại Trung Tâm An Toàn Bức Xạ, thuộc Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân từ tháng 5/2023 đến tháng 10/2023.

3.1. Quy Trình Chiếu Xạ và Đo Đạc Tín Hiệu TL của K2GdF5 Tb

Mẫu K2GdF5:Tb được chiếu xạ bằng các nguồn bức xạ chuẩn, sau đó được gia nhiệt theo chương trình định sẵn. Ánh sáng phát ra được đo bằng hệ thống đo TL (Thermoluminescence). Các thông số đo đạc như nhiệt độ, thời gian gia nhiệt, và bước sóng ánh sáng được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của dữ liệu.

3.2. Phân Tích Đường Cong Phát Quang và Xác Định Thông Số

Đường cong phát quang (đồ thị biểu diễn cường độ phát quang theo nhiệt độ) cung cấp thông tin quan trọng về các bẫy điện tử trong vật liệu. Phân tích hình dạng và vị trí các đỉnh của đường cong cho phép xác định các thông số động học phát quang như năng lượng kích hoạt và tần số dao động. Mô hình động học phát quang được sử dụng để giải thích các quá trình vật lý xảy ra trong quá trình phát quang.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Đặc Trưng Định Liều Bức Xạ K2GdF5 Tb

Nghiên cứu đã xác định được các đặc trưng định liều bức xạ quan trọng của K2GdF5:Tb, bao gồm ngưỡng liều cực tiểu, dải đáp ứng liều tuyến tính, sự phụ thuộc năng lượng, độ tự chiếu xạ, và sự suy giảm tín hiệu TL. Các kết quả này cho thấy K2GdF5:Tb có tiềm năng lớn trong ứng dụng đo liều bức xạ. Ngưỡng liều cực tiểu cho biết liều bức xạ tối thiểu mà vật liệu có thể phát hiện được. Dải đáp ứng tuyến tính cho biết khoảng liều bức xạ mà cường độ TL tỉ lệ tuyến tính với liều bức xạ.

4.1. Ngưỡng Liều Cực Tiểu và Độ Nhạy Nhiệt Phát Quang

Ngưỡng liều cực tiểu của K2GdF5:Tb xác định khả năng phát hiện bức xạ ở liều thấp. Độ nhạy của vật liệu được đánh giá bằng cường độ TL phát ra trên một đơn vị liều bức xạ. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy bao gồm nồng độ Tb, kích thước hạt và phương pháp chế tạo.

4.2. Dải Đáp Ứng Liều Tuyến Tính và Độ Chính Xác Đo Liều

Dải đáp ứng liều tuyến tính của K2GdF5:Tb là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của phép đo liều. Trong dải này, cường độ TL tỉ lệ tuyến tính với liều bức xạ. Độ chính xác đo liều được đánh giá bằng sai số thống kê và sai số hệ thống.

4.3. Độ Bền Nhiệt và Suy Giảm Tín Hiệu TL Theo Thời Gian

Độ bền nhiệt của K2GdF5:Tb ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ thông tin liều bức xạ trong thời gian dài. Sự suy giảm tín hiệu TL theo thời gian (fading) cần được đánh giá để hiệu chỉnh kết quả đo. Các yếu tố ảnh hưởng đến suy giảm tín hiệu TL bao gồm nhiệt độ môi trường và thời gian lưu trữ.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tiềm Năng Phát Triển K2GdF5 Tb

Với những ưu điểm và đặc trưng đã được xác định, K2GdF5:Tb có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong đo liều bức xạ cá nhân và môi trường. Nghiên cứu và phát triển liều kế nhiệt phát quang dựa trên K2GdF5:Tb sẽ góp phần nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong các hoạt động liên quan đến bức xạ. Ứng dụng vật liệu nhiệt phát quang không chỉ giới hạn trong lĩnh vực an toàn bức xạ mà còn mở rộng sang các lĩnh vực khác như y tế, địa chất, và khảo cổ.

5.1. Liều Kế Nhiệt Phát Quang Cá Nhân và Giám Sát Bức Xạ

Liều kế nhiệt phát quang dựa trên K2GdF5:Tb có thể được sử dụng để giám sát liều bức xạ cho nhân viên làm việc trong môi trường có nguy cơ phơi nhiễm bức xạ. Kích thước nhỏ gọn và độ nhạy cao của vật liệu cho phép phát hiện và đo đạc liều bức xạ một cách chính xác.

5.2. Đo Liều Bức Xạ Môi Trường và Kiểm Soát Ô Nhiễm

K2GdF5:Tb có thể được sử dụng để đo liều bức xạ nền trong môi trường và kiểm soát ô nhiễm bức xạ. Việc theo dõi và đánh giá mức độ bức xạ trong môi trường là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và duy trì sự bền vững của môi trường.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai K2GdF5 Tb

Nghiên cứu về K2GdF5:Tb đã mở ra những hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu nhiệt phát quang và ứng dụng đo liều bức xạ. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu. Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào tối ưu hóa phương pháp chế tạo, tìm hiểu cơ chế phát quang, và phát triển các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Đồng thời, cần nghiên cứu thêm về các yếu tố khác như ảnh hưởng của Tb đến TL và cơ chế phát quang.

6.1. Tối Ưu Hóa Phương Pháp Chế Tạo và Nâng Cao Hiệu Suất

Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của phương pháp chế tạo để đạt được vật liệu K2GdF5:Tb có chất lượng cao và hiệu suất phát quang cao nhất. Các phương pháp mới và tiên tiến cần được khám phá để tạo ra vật liệu với cấu trúc tinh thể hoàn hảo và kích thước hạt đồng đều.

6.2. Nghiên Cứu Cơ Chế Phát Quang và Ứng Dụng Mới

Nghiên cứu cần đi sâu vào cơ chế phát quang của K2GdF5:Tb để hiểu rõ hơn về các quá trình vật lý xảy ra trong quá trình phát quang. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa vật liệu và phát triển các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực vật lý nguyên tử và hạt nhân, việc phát triển và khảo sát các vật liệu nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL) đóng vai trò quan trọng trong đánh giá liều bức xạ, đặc biệt là liều bức xạ photon. Theo ước tính, việc đo lường chính xác liều bức xạ cá nhân góp phần nâng cao an toàn bức xạ cho nhân viên và cộng đồng. Luận văn này tập trung nghiên cứu các đặc trưng đánh liều bức xạ photon của vật liệu nhiệt phát quang K2GdF5:Tb dạng bát, được tổng hợp tại Viện Nghiên cứu hạt nhân (NCHN) trong khoảng thời gian từ tháng 5 đến tháng 10 năm 2023.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát chi tiết các đặc trưng chính của vật liệu K2GdF5:Tb trong đánh liều bức xạ photon, bao gồm độ lặp lại, đáp ứng tuyến tính, ngưỡng liều cực tiểu, sự phụ thuộc của liều vào năng lượng photon, cũng như sự suy giảm tín hiệu nhiệt phát quang theo thời gian (fading). Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc chiếu xạ mẫu vật liệu bằng các nguồn bức xạ chuẩn tia-X, gamma Cs-137 và Co-60 tại Trung tâm An toàn bức xạ, Viện NCHN, Hà Nội.

Ý nghĩa khoa học của luận văn nằm ở việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm quan trọng về tính chất nhiệt phát quang của vật liệu K2GdF5:Tb, góp phần phát triển các thiết bị đánh liều cá nhân mới với độ nhạy cao và ổn định. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu hỗ trợ việc ứng dụng vật liệu này trong đánh giá liều bức xạ photon cho nhân viên bức xạ và môi trường, đảm bảo an toàn bức xạ hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết nhiệt phát quang (Thermoluminescence - TL), một hiện tượng phát xạ ánh sáng khi vật liệu bán dẫn hoặc điện môi được nung nóng sau khi bị chiếu xạ bởi các bức xạ ion hóa như alpha, beta, photon (tia-X, gamma) hoặc neutron. Quá trình TL bao gồm hai giai đoạn chính: tích lũy các điện tử và lỗ trống trong các bẫy năng lượng của mạng tinh thể khi bị chiếu xạ, và giải phóng các điện tử này khi nung nóng, phát ra photon ánh sáng đặc trưng.

Mô hình TL được mô tả qua các mức năng lượng gồm bẫy điện tử (trap) và tâm tái hợp (recombination center). Khi nung nóng, điện tử thoát khỏi bẫy và tái hợp với lỗ trống, phát ra ánh sáng TL. Các khái niệm chính bao gồm:

• Độ lặp lại (Reproducibility): khả năng vật liệu phát quang ổn định sau nhiều lần chiếu xạ và đo.
• Ngưỡng liều cực tiểu (Limit of Detection - LOD): liều bức xạ thấp nhất mà vật liệu có thể phát hiện được.
• Đáp ứng tuyến tính (Linearity response): mối quan hệ tỷ lệ giữa liều chiếu và tín hiệu TL.
• Sự suy giảm tín hiệu theo thời gian (Fading): mất mát tín hiệu TL do các quá trình vật lý như giải phóng điện tử không mong muốn.
• Phụ thuộc năng lượng photon: ảnh hưởng của năng lượng bức xạ đến hiệu suất phát quang của vật liệu.

Ngoài ra, các tiêu chuẩn kỹ thuật IEC 1066:1991 và IEC 62387:2012 được áp dụng để đánh giá các đặc trưng kỹ thuật của vật liệu TL.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu K2GdF5:Tb dạng bát, được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng pha rắn tại Viện NCHN. Mỗi mẫu có khối lượng khoảng 20 mg, được chuẩn bị và xử lý nhiệt ở 450°C trong 10 giờ để loại bỏ tín hiệu nền.

Quá trình chiếu xạ mẫu được thực hiện tại Trung tâm An toàn bức xạ với các nguồn chuẩn:

• Máy phát tia-X <RF-200EGM2=>, điện áp 100 kV, dòng điện 5 mA, khoảng cách chiếu 1 m.
• Nguồn gamma Cs-137 với năng lượng 662 keV.
• Nguồn gamma Co-60 với năng lượng 1250 keV.

Mỗi mẫu được chiếu xạ với các mức liều từ 0,1 mSv đến 20 mSv, thời gian chiếu được tính toán tương ứng để đảm bảo liều chính xác.

Phương pháp phân tích tín hiệu TL sử dụng máy đọc Rexon UL-320, với chu trình nung gồm 5 bước nhiệt độ từ môi trường đến 320°C, nhằm thu tín hiệu TL chính tại khoảng 230°C. Các phép đo được lặp lại 10 lần để đánh giá độ lặp lại và tính ổn định.

Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, từ tháng 5 đến tháng 10 năm 2023, bao gồm tổng hợp mẫu, chiếu xạ, đo tín hiệu TL, xử lý số liệu và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ lặp lại của vật liệu K2GdF5:Tb
   Qua 10 lần đo lặp lại với liều chiếu 10 mSv, vật liệu cho tín hiệu TL ổn định với hệ số biến thiên (R) ≤ 0,075, đáp ứng tiêu chuẩn IEC 1066:1991. Tín hiệu trung bình đo được là khoảng 122 counts cho tia-X và 17 counts cho gamma Co-60, cho thấy độ lặp lại cao và khả năng tái sử dụng mẫu.

2. Ngưỡng liều cực tiểu
   Ngưỡng phát hiện liều thấp nhất của vật liệu được xác định là khoảng 0,1 mSv, phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế. Điều này cho thấy vật liệu có khả năng phát hiện liều bức xạ rất nhỏ, thích hợp cho đánh liều cá nhân trong môi trường bức xạ thấp.

3. Đáp ứng tuyến tính với liều bức xạ photon
   Vật liệu thể hiện mối quan hệ tuyến tính rõ ràng giữa tín hiệu TL và liều chiếu trong khoảng 0,1 - 20 mSv với hệ số tuyến tính nằm trong khoảng 0,9 đến 1,1. Đáp ứng tuyến tính này được quan sát đồng nhất với cả nguồn tia-X và gamma Co-60, chứng tỏ vật liệu phù hợp cho việc đo liều bức xạ trong phạm vi rộng.

4. Phụ thuộc năng lượng photon
   Tín hiệu TL của vật liệu phụ thuộc vào năng lượng photon chiếu xạ. Tín hiệu TL cao nhất được ghi nhận ở năng lượng photon khoảng 83,3 keV (tia-X 100 kV), giảm dần khi năng lượng tăng lên đến 1250 keV (gamma Co-60). Điều này phù hợp với tính chất nguyên tử của vật liệu có hiệu suất hấp thụ photon cao hơn ở năng lượng thấp.

5. Sự suy giảm tín hiệu theo thời gian (fading)
   Qua khảo sát trong 90 ngày, tín hiệu TL giảm khoảng 24% sau 51 ngày và duy trì ổn định sau đó. Mức fading này thấp hơn so với nhiều vật liệu TL truyền thống, cho thấy vật liệu K2GdF5:Tb có khả năng lưu giữ tín hiệu tốt, phù hợp cho ứng dụng đánh liều dài hạn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của độ lặp lại cao và đáp ứng tuyến tính tốt là do cấu trúc tinh thể ổn định và sự pha tạp ion Tb3+ giúp tăng hiệu suất phát quang. So sánh với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu K2GdF5:Dy3+, kết quả của luận văn tương đồng về khả năng phát quang và độ bền tín hiệu, đồng thời vượt trội hơn về ngưỡng liều cực tiểu và fading.

Phụ thuộc năng lượng photon phản ánh đặc tính hấp thụ bức xạ của vật liệu, phù hợp với nguyên lý vật lý về hiệu suất hấp thụ photon của các nguyên tố nặng như Gd. Việc giảm tín hiệu theo thời gian là hiện tượng phổ biến do các quá trình giải phóng điện tử không mong muốn, tuy nhiên mức giảm trong nghiên cứu này nằm trong giới hạn chấp nhận được cho ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong đáp ứng tuyến tính, bảng tổng hợp độ lặp lại và fading theo thời gian, giúp minh họa rõ ràng các đặc trưng kỹ thuật của vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thiết bị đánh liều cá nhân sử dụng vật liệu K2GdF5:Tb
   Khuyến nghị các cơ sở nghiên cứu và sản xuất thiết bị bức xạ tích hợp vật liệu này để nâng cao độ nhạy và độ ổn định trong đo liều photon, với mục tiêu ứng dụng trong vòng 1-2 năm.

2. Mở rộng nghiên cứu đánh giá liều neutron
   Do đặc tính hấp thụ neutron cao của Gd, cần tiến hành nghiên cứu bổ sung về đánh liều neutron để phát triển thiết bị đa năng, dự kiến trong 3 năm tới.

3. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu
   Đề xuất cải tiến phương pháp phản ứng pha rắn nhằm tăng độ đồng nhất và giảm chi phí sản xuất, giúp vật liệu dễ dàng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và y tế.

4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm định
   Cần phối hợp với các tổ chức tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế để xây dựng tiêu chuẩn đánh giá vật liệu TL mới, đảm bảo tính nhất quán và độ tin cậy trong ứng dụng thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân và vật liệu
   Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về vật liệu nhiệt phát quang mới, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu TL và ứng dụng đánh liều.

2. Cơ sở đào tạo và giảng dạy chuyên ngành vật lý nguyên tử
   Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho sinh viên và giảng viên trong việc hiểu sâu về hiện tượng nhiệt phát quang và ứng dụng trong an toàn bức xạ.

3. Các đơn vị quản lý an toàn bức xạ và y tế hạt nhân
   Kết quả nghiên cứu giúp cải thiện công tác đánh giá liều bức xạ cá nhân, nâng cao hiệu quả kiểm soát và bảo vệ sức khỏe nhân viên bức xạ.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo liều bức xạ
   Thông tin về đặc tính kỹ thuật và hiệu suất của vật liệu K2GdF5:Tb hỗ trợ phát triển sản phẩm mới, tăng tính cạnh tranh trên thị trường thiết bị an toàn bức xạ.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu K2GdF5:Tb có ưu điểm gì so với các vật liệu TL truyền thống?
   Vật liệu này có độ nhạy cao, ngưỡng liều cực tiểu thấp (~0,1 mSv), độ lặp lại tốt (R ≤ 0,075), và khả năng giữ tín hiệu lâu dài với mức fading thấp (~24% sau 51 ngày), vượt trội so với nhiều vật liệu truyền thống như CaSO4:Dy.

2. Phương pháp tổng hợp vật liệu K2GdF5:Tb được thực hiện như thế nào?
   Vật liệu được tổng hợp dạng bát bằng phương pháp phản ứng pha rắn, với tỷ lệ pha tạp Tb khoảng 10%, nung ở nhiệt độ 450°C trong 10 giờ để đảm bảo cấu trúc tinh thể ổn định và loại bỏ tín hiệu nền.

3. Liều bức xạ nào vật liệu có thể đo chính xác?
   Vật liệu đáp ứng tuyến tính trong khoảng liều từ 0,1 mSv đến 20 mSv, phù hợp cho đánh giá liều cá nhân trong môi trường bức xạ thấp đến trung bình.

4. Tín hiệu nhiệt phát quang có bị suy giảm theo thời gian không?
   Có, tín hiệu TL giảm khoảng 24% sau 51 ngày lưu trữ trong điều kiện bảo quản tốt, tuy nhiên mức giảm này nằm trong giới hạn chấp nhận được cho ứng dụng đánh liều dài hạn.

5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong đánh liều neutron không?
   Do thành phần Gd có khả năng hấp thụ neutron cao, vật liệu có tiềm năng ứng dụng đánh liều neutron, tuy nhiên cần nghiên cứu bổ sung để xác định đặc trưng chi tiết cho loại bức xạ này.

Kết luận

• Vật liệu nhiệt phát quang K2GdF5:Tb dạng bát được tổng hợp thành công và có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp cho đánh liều bức xạ photon cá nhân.
• Độ lặp lại cao, đáp ứng tuyến tính tốt trong dải liều 0,1 - 20 mSv, ngưỡng liều cực tiểu thấp và mức fading chấp nhận được.
• Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu TL mới, hỗ trợ nâng cao an toàn bức xạ trong các cơ sở hạt nhân và y tế.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu đánh giá liều neutron và tối ưu hóa quy trình tổng hợp để ứng dụng rộng rãi hơn.
• Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu, đào tạo và sản xuất thiết bị bức xạ tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu trong thực tiễn.

Đẩy mạnh hợp tác nghiên cứu đa ngành để hoàn thiện vật liệu và thiết bị đánh liều, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia cho vật liệu TL mới này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BÞ GIÁO DĀC VIàN HÀN LÂM KHOA HâC VÀ ĐÀO T¾O VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM HâC VIàN KHOA HâC VÀ CÔNG NGHà Đoàn Thá Ngãc Nå NGHIÊN CĄU KHÀO SÁT CÁC Đ¾C TR£NG ĐàNH LIÀU BĄC X¾ PHOTON ĐÞI VàI VÀT LIàU NHIàT PHÁT QUANG K2GdF5:Tb. LUÂN VN TH¾C S) VÂT LÝ NGUYÊN TĀ VÀ H¾T NHÂN Hà Nßi – 2023 BÞ GIÁO DĀC VIàN HÀN LÂM KHOA HâC VÀ ĐÀO T¾O VÀ CÔNG NGHà VIàT NAM HâC VIàN KHOA HâC VÀ CÔNG NGHà Đoàn Thá Ngãc Nå NGHIÊN CĄU KHÀO SÁT CÁC Đ¾C TR£NG ĐàNH LIÀU BĄC X¾ PHOTON ĐÞI VàI VÀT LIàU NHIàT PHÁT QUANG K2GdF5:Tb. Chuyên ngành : VÃt lý nguyên tā và h¿t nhân Mã sá : 8440106 LUÀN VN TH¾C S) VÀT LÝ NG£äI H£âNG DÀN KHOA HâC: PGS. Nguyßn Vn Hùng Hà Nßi – 2023 LâI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luÃn vn này là công trình nghiên cñu cïa cá nhân tôi, đ¤ëc thąc hián d¤ãi są h¤ãng dÁn khoa hãc cïa PGS.

Nguyßn Vn Hùng – Vián Nghiên cñu h¿t nhân (Đà L¿t). Các sá liáu thąc nghiám đ¤ëc thąc hián t¿i Trung tâm An toàn bñc x¿, thuác Vián Nghiên cñu h¿t nhân. Thåi gian thąc hián thąc nghiám tÿ tháng 05/2023 đÃn tháng 10/2023. Nhăng kÃt quÁ nghiên cñu cïa tác giÁ khác và các thông tin, sá liáu đ¤ëc trích dÁn trong luÃn vn đÅu đ¤ëc chú thích đÁy đï.

Tôi xin hoàn toàn cháu trách nhiám vÅ są cam đoan này. Hà Nội, ngày t ng nam 202 Tác giÁ luÁn vn Đoàn Thá Ngãc Nå LâI CÀM ¡N Sau mát thåi gian nghiên cñu miát mài và nghiêm túc, luÃn vn đã đ¤ëc hoàn thành t¿i Vián Nghiên cñu h¿t nhân (Đà L¿t). Tôi xin trân trãng cÁm ¢n Lãnh đ¿o Vián Nghiên cñu h¿t nhân, ThS. Phan Vn Toàn ç Trung tâm An toàn bñc x¿ (Vián Nghiên cñu h¿t nhân) đã luôn quan tâm, t¿o điÅu kián, giúp đé tôi trong quá trình hãc tÃp, nghiên cñu và hoàn thành luÃn vn.

Tôi xin chan thành cÁm on quý ThÁy, Co giáo, các Khoa, Ph ng cïa Hãc viẹn Khoa hãc và Cong nghẹ, Viẹn Hàn lam Khoa hãc và Cong nghẹ Viẹt Nam đã t¿n tình giÁng d¿y và t¿o điÅu kiẹn đÇ tôi hoàn thành chuong trình th¿c s. Tôi xin chan thành cÁm on quý ThÁy, Co giáo cïa Viẹn Nghien cñu và ðng díng Cong nghẹ Nha Trang đã nhiẹt tình và t¿o điÅu kiẹn thu¿n lëi đÇ giúp tôi hoàn thành kh a hãc. ĐÁc biát, tôi xin bày tß l ng kính trãng, biÃt ¢n sâu sÅc nh¿t tãi PGS.TS Nguyßn Vn Hùng - ng¤åi thÁy đã tÃn tình h¤ãng dÁn, giúp đé tôi trong suát thåi gian nghiên cñu và thąc hián luÃn vn. Są tâm huyÃt và đáng viên cïa thÁy đã giúp tôi tÃp trung vào đúng h¤ãng, tą tin và kiên đánh h¢n trong nghiên cñu, giúp luÃn vn thành công tát đẹp.

Bên c¿nh đ , tôi xin bày tß l ng biÃt ¢n sâu sÅc tãi gia đình, b¿n bè thân hău và các đãng nghiáp t¿i đ¢n vá công tác đã luôn bên c¿nh đáng viên, chia s¿, hß trë và t¿o điÅu kián tát nh¿t cho tôi trong quá trình hãc tÃp và hoàn thành luÃn vn. Trân trãng cÁm ¢n! Hà Nội, ngày t ng nam 202 Tác giÁ luÁn vn Đoàn Thá Ngãc Nå MĀC LĀC LäI CAM ĐOAN LäI CÀM ¡N MìC LìC DANH MìC CÁC KÝ HIàU, CHĂ VIÂT TÄT DANH MìC CÁC BÀNG BIÆU DANH MìC CÁC HÌNH VÀ, Đâ THà Mæ ĐÀU. LÝ THUYÂT NHIàT PHÁT QUANG. Hián t¤ëng nhiát phát quang.

C¢ chà nhiát phát quang. VÃt liáu nhiát phát quang. TÌNH HÌNH NGHIÊN CðU. Tình hình nghiên cñu ç thà giãi.

Tình hình nghiên cñu ç Viát Nam. MàT Sà ĐÀC TR£NG ĐàNH LIÄU CîA VÂT LIàU. Ng¤éng liÅu cąc tiÇu. DÁi đáp ñng liÅu tuyÃn tính.

Đá tą chiÃu x¿ theo thåi gian khi l¤u tră vÃt liáu. Są suy giÁm tín hiáu TL theo thåi gian (fading). Tiêu chu¿n đánh giá các đÁc tr¤ng cïa liÅu kÃ. MàT Sà Đ¾I L£êNG VÀ Đ¡N Và DÙNG TRONG ĐàNH LIÄU.

LiÅu t¤¢ng đ¤¢ng. LiÅu hiáu díng. T¤¢ng đ¤¢ng liÅu cá nhân. PH£¡NG PHÁP THĄC NGHIàM.

VÂT LIàU VÀ TRANG THIÂT Bà. Há chiÃu chu¿n tia X. Há chiÃu chu¿n gamma Cs-137. Há chiÃu chu¿n gamma Co-60.

Há đãc tín hiáu nhiát phát quang Rexon UL-320. CHIÂU X¾ VÀ KHÀO SÁT CÁC ĐÀC TR£NG CîA VÂT LIàU. Bá trí thí nghiám chiÃu x¿ mÁu vÃt liáu. ChiÃu mÁu bằng há chiÃu chu¿n tia-X.

ChiÃu mÁu bằng há chiÃu chu¿n Cs-137. ChiÃu mÁu bằng há chiÃu chu¿n Co-60. KhÁo sát đáp ñng TL trên máy đãc liÅu Rexon UL-320. Bá trí thí nghiám.

Đo c¤ång đá tín hiáu TL. KhÁo sát đáp ñng các đ¤ång cong TL trên máy đãc liÅu. KhÁo sát các đÁc tr¤ng cïa vÃt liáu. Ng¤éng liÅu cąc tiÇu.

DÁi liÅu tuyÃn tính. Są phí thuác cïa liÅu bñc x¿ vào nng l¤ëng photon. Đá tą chiÃu x¿ theo thåi gian khi l¤u tră vÃt liáu. Są giÁm tín hiáu TL theo thåi gian (fading).

KÂT QUÀ VÀ THÀO LUÂN. NG£èNG LIÄU CĄC TIÆU .3 DÀI ĐÁP ðNG LIÄU TUYÂN TÍNH. SĄ PHì THUàC CîA LIÄU BðC X¾ VÀO NNG L£êNG PHOTON. Đà TĄ CHIÂU X¾ THEO THäI GIAN KHI L£U TRĂ VÂT LIàU.

SĄ GIÀM TÍN HIàU TL THEO THäI GIAN (FADING). 49 KÂT LUÂN VÀ KIÂN NGHà. 52 TÀI LIàU THAM KHÀO. 53 DANH MìC CÔNG TRÌNH CîA TÁC GIÀ.

57 PHì LìC 1 PHì LìC 2 PHì LìC 3 PHì LìC 4 DANH MĀC CÁC KÝ HIàU, CHĀ VI¾T TÂT Ký hiáu Ti¿ng Anh Ti¿ng Viát Há sá biÃn thiên (thng CV Coefficient of deviation giáng) HV High Voltage Cao thà (đ¢n vá đo: kV) IAEA International Atomic Energy C¢ quan Nng l¤ëng nguyên Agency tā quác tà International Electrotechnical IEC îy ban K thuÃt đián quác tà Commission KH&CN Science and Technology Khoa hãc và công nghá min Minute Đ¢n vá đo thåi gian (Phút) NCHN Nuclear Research Nghiên cñu h¿t nhân SD Standard Deviation Đá lách chu¿n Đ¢n vá liÅu t¤¢ng đ¤¢ng Sv Equivalent dose (in Sievert) (1 Sv = 1 J/kg) TL Thermoluminescence Nhiát phát quang Thermoluminescence TLD LiÅu kà nhiát phát quang Dosimeter DANH MĀC CÁC BÀNG BIÂU BÁng 2. Mát sá đÁc tr¤ng chính cïa máy phát tia X <RF-200EGM2=. Thông sá k thuÃt c¢ bÁn cïa há đãc liÅu Rexon UL–320. Thåi gian chiÃu t¤¢ng ñng vãi các mñc liÅu khác nhau tÿ nguãn gamma Co-60.

Tång hëp sá liáu đo trung bình cïa 10 lÁn đo khÁo sát đá lÁp l¿i (đái vãi tia-X). Tång hëp sá liáu đo trung bình cïa 10 lÁn đo khÁo sát đá lÁp l¿i (đái vãi tia gamma). Ng¤éng liÅu cąc tiÇu cïa vÃt liáu. Sá liáu đo mÁu vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi 04 mñc liÅu chiÃu mÁu khác nhau (0,1 – 20 mSv) cïa bñc x¿ tia-X (100 kV).

KÃt quÁ đáp ñng tuyÃn tính liÅu cïa mÁu vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi bñc x¿ tia-X (100 kV). Sá liáu đo mÁu vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi 04 mñc liÅu chiÃu mÁu khác nhau (0,1 – 20 mSv) cïa bñc x¿ gamma Co-60 (1250 keV). KÃt quÁ đáp ñng tuyÃn tính liÅu cïa mÁu vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi bñc x¿ gamma Co-60 (1250 keV). KÃt quÁ khÁo sát są phí thuác nng l¤ëng cïa mÁu vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi bñc x¿ photon.

Đá tą chiÃu x¿ cïa vÃt liáu theo thåi gian khi l¤u tră. KÃt quÁ khÁo sát đá suy giÁm tín hiáu theo thåi gian cïa vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi bñc x¿ tia-X. KÃt quÁ khÁo sát đá suy giÁm tín hiáu theo thåi gian cïa vÃt liáu K2GdF5: Tb đái vãi bñc x¿ gamma. 49 DANH MĀC CÁC HÌNH VẼ, Đà THà Hình 1.

Mô hình đ¢n giÁn TL gãm 2 mñc đái vãi h¿t tÁi đián là đián tā. Há phát tia X <RF-200EGM2=. Há chiÃu chu¿n gamma dùng Cs-137. Há chiÃu chu¿n gamma dùng Co-60.

Há đãc tín hiáu nhiát phát quang Rexon UL-320. Cân phân tích đián tā 4 sá. S¢ đã bá trí thí nghiám chiÃu x¿ mÁu trên máy phát tia-X. S¢ đã bá trí thí nghiám chiÃu x¿ mÁu trên các há chiÃu chu¿n Cs-137 và Co-60.

MÁu vÃt liáu đ¤ëc chu¿n bá cho chiÃu x¿. Bá trí thí nghiám chiÃu mÁu tia-X. Bá trí thí nghiám chiÃu mÁu vãi bñc x¿ gamma (Cs-137). Bá trí thí nghiám chiÃu mÁu vãi bñc x¿ gamma (Co-60).

Màn hình đng nhÃp cïa Rexon UL–320. Màn hình điÅu khiÇn chính cïa Rexon UL-320. Màn hình cài thông sá chu trình TLD. Màn hình kÃt quÁ đo.

Chu trình đo phå TL cïa vÃt liáu K2GdF5:Tb. Phå tín hiáu TL cïa K2GdF5:Tb chiÃu x¿ tia-X. Phå tín hiáu TL cïa K2GdF5:Tb chiÃu x¿ gamma. Đã thá biÇu dißn đáp ñng tuyÃn tính liÅu bñc x¿ cïa mÁu vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi bñc x¿ tia-X (100 kV) (dÁi liÅu tÿ 0,1 – 20 mSv).

Đã thá biÇu dißn đáp ñng tuyÃn tính liÅu bñc x¿ cïa mÁu vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi gamma Co-60 (1250 keV) vãi dÁi liÅu tÿ 0,1 – 20 mSv. Đã thá biÇu dißn są phí thuác nng l¤ëng photon cïa mÁu vÃt liáu K2GdF5:Tb. Đã thá biÇu dißn đá suy giÁm tín hiáu theo thåi gian cïa vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi bñc x¿ tia-X. Đã thá biÇu dißn đá suy giÁm tín hiáu theo thåi gian cïa vÃt liáu K2GdF5:Tb đái vãi bñc x¿ gamma.

Lý do chãn đÁ tài ĐÇ đánh liÅu bñc x¿ (Radiation dosimetry), ng¤åi ta đã nghiên cñu sā díng nhiÅu ph¤¢ng pháp dąa trên c¢ chà t¤¢ng tác cïa bñc x¿ vãi vÃt liáu, nh¤: C¢ chà ion h a, c¢ chà phát quang [nh¿p nháy, nhiát phát quang (Thermo-Stimulated Luminescence – TSL, là phát quang c¤éng bñc bçi nhiát, viÃt gãn là Thermoluminescence – TL, nhiát phát quang), quang phát quang (Optically Stimulated Luminescence – OSL, là quang kích thích phát quang), są h a màu cïa thïy tinh và ch¿t d¿o, v.], c¢ chà phim Ánh, c¢ chà nhiát l¤ëng, c¢ chà phÁn ñng h a hãc. Díng cí thí đáng (Passive tool - bao gãm vÃt liáu, vß, t¿m lãc, .) chà t¿o dąa vào các c¢ chà ç trên đÇ đánh liÅu bñc x¿ đ¤ëc gãi là liÅu kà (Dosimeter). ĐÇ đánh liÅu bñc x¿ cá nhân (Personal dosimetry) trong l*nh vąc an toàn bñc x¿, phå biÃn hián nay là ng¤åi ta nghiên cñu chà t¿o liÅu kà cá nhân thí đáng - là lo¿i liÅu kà nhiát phát quang (TL dosimeter – TLD) dąa trên c¢ chà TL, trong đ thành phÁn chính là vÃt liáu TL.